接触式静电电压检测仪设计硬件部分
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 静电电位检测的意义 1
1.3 静电电位检测的发展 2
2 系统整体设计 2
2.1 系统整体设计框图 2
3 静电传感器的设计 4
3.1 静电电位检测原理 4
3.2 静电电位检测影响因素 6
4 滤波模块设计 6
5 运算放大器模块设计 8
6 单片机模块设计 10
6.1 AT89C51的介绍 10
6.2 管脚说明 11
6.3 单片机中断系统 12
6.4 单片机作用 12
7 模数转换模块 12
7.1 ADC0808的介绍 13
7.2 ADC0808功能 13
7.3 结构和转换原理 13
7.4 ADC0808引脚功能 14
7.5 模块电路图 15
8 数据显示模块 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
由于物体在静电场中，或者在静电电荷的作用下，会产生静电，通常静电电压非常高，可达数千伏、甚至几万伏。为避免静电对人们日常生活及生产造成的不良影响，因此静电电位的检测就显得尤其重要。本论文主要根据接触式静电电位的检测原理，设计了静电电压检测仪的硬件部分。其论文的内容包括：接触式静电检测原理、滤波器以及放大器设计、模数转换、单片机模块的处理及数据显示。同时本论文还介绍了静电检测的背景以及未来的发展趋势，使人们更加了解静电以及其检测方法。
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1.1 课题研究的背景
很早以前人们就发现了静电现象，并且人们认识电也是从静电现象开始的。和西方一样，我国对静电现象的认识发现也特别早。在我国西汉末年的一些书中就记载了一些关于静电引起的现象，例如“玳瑁吸籽”，就是说摩擦后的琥珀石可以吸引芥籽。从十六世纪起，科学家就展开了对静电的探索与研究，经过长期坚持不懈的奋斗努力，终于在十八世纪中期，静电学基本定律，即库仑定律被成功证明，人们又开辟了对电磁感应规律的研究道路。进入二十世纪以后，人类的科学技术得到了快速不断地发展，日新月异。随着人们对静电的研究越来越深入透彻，静电技术愈加成熟，被广泛应用于高分子材料和微电子技术等各种领域。近几年人们由于对静电技术的应用，也发展了对静电防护工程的研究。但是科学家们发现利用经典的静电检测原理已经解决不了一些问题，所以需要进一步改善静电检测方法，为人类静电学的发展做出贡献。
1.2 静电电位检测的意义
静电现象在人们的日常生活中处处存在，而且难以避免。静电引起的危害给人们的生活带来了巨大的困扰，包括在工业生产中由于静电引起的危害已不可忽视。静电的第一种危害，比如，飞机在飞行时，机体会与空气，水气、灰尘等各种微小颗粒之间产生摩擦，造成了飞机带电，如果没有采取任何防护措施，将会严重干扰飞机上无线电设备的正常工作运行，使得飞机飞行盲目，存在巨大危险；在印刷厂里，由于纸张之间的摩擦产生的静电会使纸吸引而粘贴到一起，不太容易分开，给印刷带来不便；这些危害都是在于物体摩擦产生静电的缘故。第二种危害，就是静电的放电现象会使周边的易燃物燃烧并且发生爆炸。在冬天寒冷的夜晚。人们脱衣服时经常会发现火花现象，这就是静电放电现象，当然这对人体没有什么太大的危害。但是在手术台上时，静电放电产生的火花会引起麻醉剂的爆炸，对病人和医生造成伤害。还有煤矿中的瓦斯爆炸，也是由静电引起。人们常说，防患于未然，因此从人们的生活及工作安全出发，静电防护是研究静电学一项重要的工作。
静电电位是研究静电的基础和基本参数。静电电位检测不仅可以为防护工作设计和改善产品自身抗静电性能提供依据，而且还可以检测静电防护器材的抗静电性能以及质量，评估并确认防护静电措施的效果。除此之外，在静电应用技术(如静电除尘、静电分选、静电喷漆、静电植绒、静电复印、静电生物效应等)的研究和发展中,也离不开静电电位的检测【1】，所以静电电位的检测尤其重要。但是由于静电电位检测的精确度不高，所以为了让静电造福于人类社会，需要更加完善静电检测技术。
1.3 静电电位检测的发展
在当代，静电检测方法和检测仪器有很多种，按测量方法可分为接触式和非接触式两种，按仪器的传感器即探头可分为接地屏蔽—电压输入和信号自屏蔽—电荷耦合两种。顾名思义，接触式测量就是将仪表探头直接接触带电体，测量被测体的电压，非接触式测量则不需要直接接触物体。由于接触式测量是和带电体直接接触，因此在测量过程中会产生放电，导致电位测量参数的改变，并且接触式测量一般只能运用于金属带电体的检测。在国内外，接触式仪表最典型的就是Q—V系列静电电压表，此系列静电电压表都适用于直流和宽频带的交流电压的测试。但是随着科学技术的不断进步，国内外更加倾向于非接触式测量的使用。这是因为非接触式测量范围比较广并且得出的结果更加精确。现在，在国外非接触式测量系统的传感器大部分采用振动电容式，通过将测量的直流信号转换为交流信号，然后经过一系列的信号处理，将测量的信号再转为直流信号，最终显示出来。 非接触式测量有很多优势，已成为静电检测发展的趋势。
2 系统整体设计
2.1 系统整体设计框图
系统整体设计框图，如图2.1所示：
图2.1 系统设计框图
本文设计的目的是测量带电物体电位。为了测量带电体的电位，必须通过传感器检测带电物体的电压信号。物体在静电场中，会产生高达数千伏甚至几万伏的电压，同时静电引起的噪声较大，所以必须抑制噪声，否则测量的电压信号被淹没，无法显示出来。当采集到电压信号后，需要对信号作一些处理。首先要对信号进行滤波，因检测的静电电压是直流电压信号，可直接采用小电容接地进行滤波，滤除噪声。其次对电压信号放大，可采用运算放大器，如LM324。最终为了显示测量的结果，需要将模拟信号转换为数字信号。所以本次设计将采用AT89C51单片机控制各个电路模块。当信号经过滤波和放大处理后，单片机将控制模数转换模块使得模拟电压信号转换为数字信号。在本次设计中，模数转换模块选取8位的ADC0808芯片，最后单片机控制数码管显示出测量数据，即测得的带电物体的静电电压。此次设计的原理图如图2.2所示。
图2.2 总设计原理图
3 静电传感器的设计
3.1 静电电位检测原理
静电电位是描述静电场的一个基本物理量。在静电场中，如果有一个正电荷从一点沿着任意路径移到另一点，在这期间电场力所做的功就是该点电位。假设参考点的电位为零，该点的电位值就等于该点与参考点这两点之间的电压。在实际测试中，零电位参考点的最佳选择就是大地。因此静电电位的测试也可称为静电电压的测试。接触式测量就是使被测物体与静电电压检测仪的探头直接接触，根据等电位原理进行测试的方法。
在静电电位测试中，一般带电导体的电位很高，达到千万伏以上，传感器的设计采用了电阻分压原理。静电电位是由感应电荷引起，当仪表探头与被测体接触时，感应电荷会发生泄露，故测量时需要较高的衰减系数即时间常数，如果衰减系数较小则很难测出结果。并且为了确保测量值更加准确，需要尽量降低由电阻引起的分布电容。设计的静电传感器等效原理图如3.1所示。
1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 静电电位检测的意义 1
1.3 静电电位检测的发展 2
2 系统整体设计 2
2.1 系统整体设计框图 2
3 静电传感器的设计 4
3.1 静电电位检测原理 4
3.2 静电电位检测影响因素 6
4 滤波模块设计 6
5 运算放大器模块设计 8
6 单片机模块设计 10
6.1 AT89C51的介绍 10
6.2 管脚说明 11
6.3 单片机中断系统 12
6.4 单片机作用 12
7 模数转换模块 12
7.1 ADC0808的介绍 13
7.2 ADC0808功能 13
7.3 结构和转换原理 13
7.4 ADC0808引脚功能 14
7.5 模块电路图 15
8 数据显示模块 16
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
由于物体在静电场中，或者在静电电荷的作用下，会产生静电，通常静电电压非常高，可达数千伏、甚至几万伏。为避免静电对人们日常生活及生产造成的不良影响，因此静电电位的检测就显得尤其重要。本论文主要根据接触式静电电位的检测原理，设计了静电电压检测仪的硬件部分。其论文的内容包括：接触式静电检测原理、滤波器以及放大器设计、模数转换、单片机模块的处理及数据显示。同时本论文还介绍了静电检测的背景以及未来的发展趋势，使人们更加了解静电以及其检测方法。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1.1 课题研究的背景
很早以前人们就发现了静电现象，并且人们认识电也是从静电现象开始的。和西方一样，我国对静电现象的认识发现也特别早。在我国西汉末年的一些书中就记载了一些关于静电引起的现象，例如“玳瑁吸籽”，就是说摩擦后的琥珀石可以吸引芥籽。从十六世纪起，科学家就展开了对静电的探索与研究，经过长期坚持不懈的奋斗努力，终于在十八世纪中期，静电学基本定律，即库仑定律被成功证明，人们又开辟了对电磁感应规律的研究道路。进入二十世纪以后，人类的科学技术得到了快速不断地发展，日新月异。随着人们对静电的研究越来越深入透彻，静电技术愈加成熟，被广泛应用于高分子材料和微电子技术等各种领域。近几年人们由于对静电技术的应用，也发展了对静电防护工程的研究。但是科学家们发现利用经典的静电检测原理已经解决不了一些问题，所以需要进一步改善静电检测方法，为人类静电学的发展做出贡献。
1.2 静电电位检测的意义
静电现象在人们的日常生活中处处存在，而且难以避免。静电引起的危害给人们的生活带来了巨大的困扰，包括在工业生产中由于静电引起的危害已不可忽视。静电的第一种危害，比如，飞机在飞行时，机体会与空气，水气、灰尘等各种微小颗粒之间产生摩擦，造成了飞机带电，如果没有采取任何防护措施，将会严重干扰飞机上无线电设备的正常工作运行，使得飞机飞行盲目，存在巨大危险；在印刷厂里，由于纸张之间的摩擦产生的静电会使纸吸引而粘贴到一起，不太容易分开，给印刷带来不便；这些危害都是在于物体摩擦产生静电的缘故。第二种危害，就是静电的放电现象会使周边的易燃物燃烧并且发生爆炸。在冬天寒冷的夜晚。人们脱衣服时经常会发现火花现象，这就是静电放电现象，当然这对人体没有什么太大的危害。但是在手术台上时，静电放电产生的火花会引起麻醉剂的爆炸，对病人和医生造成伤害。还有煤矿中的瓦斯爆炸，也是由静电引起。人们常说，防患于未然，因此从人们的生活及工作安全出发，静电防护是研究静电学一项重要的工作。
静电电位是研究静电的基础和基本参数。静电电位检测不仅可以为防护工作设计和改善产品自身抗静电性能提供依据，而且还可以检测静电防护器材的抗静电性能以及质量，评估并确认防护静电措施的效果。除此之外，在静电应用技术(如静电除尘、静电分选、静电喷漆、静电植绒、静电复印、静电生物效应等)的研究和发展中,也离不开静电电位的检测【1】，所以静电电位的检测尤其重要。但是由于静电电位检测的精确度不高，所以为了让静电造福于人类社会，需要更加完善静电检测技术。
1.3 静电电位检测的发展
在当代，静电检测方法和检测仪器有很多种，按测量方法可分为接触式和非接触式两种，按仪器的传感器即探头可分为接地屏蔽—电压输入和信号自屏蔽—电荷耦合两种。顾名思义，接触式测量就是将仪表探头直接接触带电体，测量被测体的电压，非接触式测量则不需要直接接触物体。由于接触式测量是和带电体直接接触，因此在测量过程中会产生放电，导致电位测量参数的改变，并且接触式测量一般只能运用于金属带电体的检测。在国内外，接触式仪表最典型的就是Q—V系列静电电压表，此系列静电电压表都适用于直流和宽频带的交流电压的测试。但是随着科学技术的不断进步，国内外更加倾向于非接触式测量的使用。这是因为非接触式测量范围比较广并且得出的结果更加精确。现在，在国外非接触式测量系统的传感器大部分采用振动电容式，通过将测量的直流信号转换为交流信号，然后经过一系列的信号处理，将测量的信号再转为直流信号，最终显示出来。 非接触式测量有很多优势，已成为静电检测发展的趋势。
2 系统整体设计
2.1 系统整体设计框图
系统整体设计框图，如图2.1所示：
图2.1 系统设计框图
本文设计的目的是测量带电物体电位。为了测量带电体的电位，必须通过传感器检测带电物体的电压信号。物体在静电场中，会产生高达数千伏甚至几万伏的电压，同时静电引起的噪声较大，所以必须抑制噪声，否则测量的电压信号被淹没，无法显示出来。当采集到电压信号后，需要对信号作一些处理。首先要对信号进行滤波，因检测的静电电压是直流电压信号，可直接采用小电容接地进行滤波，滤除噪声。其次对电压信号放大，可采用运算放大器，如LM324。最终为了显示测量的结果，需要将模拟信号转换为数字信号。所以本次设计将采用AT89C51单片机控制各个电路模块。当信号经过滤波和放大处理后，单片机将控制模数转换模块使得模拟电压信号转换为数字信号。在本次设计中，模数转换模块选取8位的ADC0808芯片，最后单片机控制数码管显示出测量数据，即测得的带电物体的静电电压。此次设计的原理图如图2.2所示。
图2.2 总设计原理图
3 静电传感器的设计
3.1 静电电位检测原理
静电电位是描述静电场的一个基本物理量。在静电场中，如果有一个正电荷从一点沿着任意路径移到另一点，在这期间电场力所做的功就是该点电位。假设参考点的电位为零，该点的电位值就等于该点与参考点这两点之间的电压。在实际测试中，零电位参考点的最佳选择就是大地。因此静电电位的测试也可称为静电电压的测试。接触式测量就是使被测物体与静电电压检测仪的探头直接接触，根据等电位原理进行测试的方法。
在静电电位测试中，一般带电导体的电位很高，达到千万伏以上，传感器的设计采用了电阻分压原理。静电电位是由感应电荷引起，当仪表探头与被测体接触时，感应电荷会发生泄露，故测量时需要较高的衰减系数即时间常数，如果衰减系数较小则很难测出结果。并且为了确保测量值更加准确，需要尽量降低由电阻引起的分布电容。设计的静电传感器等效原理图如3.1所示。
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